3D-Druck könnte die Telekommunikation bald mit kompakten Strahlgeneratoren stärken

Ein Forschungsteam der chinesischen Universität Xi’an Jiaotong hat Prototypen 3D-gedruckter Vortex-Strahlgeneratoren mit orbitalem Drehimpuls (OAM) vorgestellt. Die Geräte könnten die Datenübertragung in 5G-/6G-Netzen sowie bildgebende Verfahren verbessern. Hier erfahren Sie, wie kompakte Strahlgeneratoren funktionieren und die Kommunikation erweitern könnten.

5G/6G-Anforderungen

Weltweit wird an zuverlässigen 5G-/6G-Netzen gearbeitet. China und die USA konkurrieren um leistungsfähigere Millimeterwellensysteme und eine führende Rolle in künftigen Netzen. Millimeterwellen können den Durchsatz erhöhen und die Latenz senken. Solche Systeme ermöglichen eine effiziente, störungsarme Kommunikation.

Vortex-Strahlgeneratoren mit orbitalem Drehimpuls (OAM)

Für Datenströme hoher Kapazität untersuchen Forschende verschiedene Methoden. Vielversprechend sind Vortex-Strahlgeneratoren mit orbitalem Drehimpuls. Sie erzeugen und beeinflussen Strahlen mit spiralförmiger Phase.

Dazu werden optische Wege genutzt, deren Länge sich entlang des Geräteumfangs linear ändert. Bei geeigneter Konstruktion können solche Geräte die spektrale Effizienz und Kommunikationskapazität deutlich steigern.

Probleme mit aktuellen Methoden zur Herstellung von OAM-Vortex-Strahlgeneratoren

Vortex-Strahlgeneratoren gelten als vielversprechend für 5G und 6G. Vor einem breiten Einsatz müssen jedoch Probleme gelöst werden: Die heutigen Geräte arbeiten wenig effizient, erzeugen Strahlen nicht optimal und haben erhebliche Bandbreitenbeschränkungen.

Fertigungskosten für Strahlgeneratoren

Ein weiterer Nachteil sind hohe Fertigungskosten. Die notwendige Präzision macht die Herstellung komplex. Fehler können das Gerät anfällig für unerwünschte Störungen machen.

Studie zu Strahlgeneratoren

Die aktuelle Studie¹ in der Fachzeitschrift Optics Express der Optica Publishing Group stellt ein Verfahren vor, das Präzision erhöhen und Kosten senken könnte. Es beschreibt den 3D-Druck eines OAM-Generators für leistungsfähige Vortex-Strahlen.

Das Gerät wurde als Antennensystem für drahtlose Kommunikation im Ka-Band entwickelt. Störfilter, Leistungsteiler, Phasenschieber, Übertragungsleitung und Strahler sind in einem einzigen gedruckten Bauteil integriert.

3D-gedruckte OAM-Strahlgeneratoren

Der Generator wurde als monolithisches Bauteil mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) hergestellt. Eine Metalllegierung und luftgefüllte Zwischenräume minimieren die dielektrischen Verluste.

Frühere Ansätze kombinierten mehrere Leistungskomponenten und Phasenschieber, was Störungen und Verluste erhöhte. Deshalb erwies sich eine einteilige Ganzmetallkonstruktion als geeignete Lösung.

Leistungsteiler

Das neue Design enthält eine Verstärkungsfilterung zur Verbesserung von Genauigkeit und Empfindlichkeit. Ein speziell entwickelter 1-zu-8-Leistungsteiler verbindet acht Phasenverzögerungsleitungen mit verdrillten Wellenleitern. Er trennt Signale und führt sie über definierte Wege, um Störungen zu verringern.

Integrierte Verstärkungsfilterung

Die Unterdrückung von Störungen schafft mehr nutzbare Bandbreite für Daten. Zudem lassen sich gewünschte Signale gezielt auswählen und unerwünschte Signale entfernen. Anschließend gelangen die Signale zu einer kreisförmigen Antennenanordnung für die abschließende Ausrichtung.

Computersimulationen von Strahlgeneratoren

Mit fortgeschrittenen Computersimulationen optimierte das Team den Generator weiter. Tausende Tests halfen, eine Geometrie zu finden, die die Übertragung im gewünschten Band verbessert und Signale außerhalb dieses Bands wirksam unterdrückt.

Ergebnisse der Studie zu Strahlgeneratoren

Die Ergebnisse sind vielversprechend. Das Gerät könnte Überlastungsprobleme künftiger Funknetze verringern. Es reduzierte Störungen, verstärkte das Hauptsignal und erzeugte OAM-Strahlen mit dem Modenindex l = +1.

An Funkmasten könnten die kleinen Geräte dauerhaft oder vorübergehend eingesetzt werden, etwa bei großen Menschenansammlungen. So ließen sich Datenüberlastung, Gesprächsabbrüche und langsame Verbindungen reduzieren.

Die Ganzmetallstruktur bot weitere Vorteile: höhere Strahlungseffizienz und eine größere Belastbarkeit als herkömmliche Ansätze. Die Signalreinheit erreichte 80 %. In den Hauptrichtungen lag die Unterdrückung außerhalb des gewünschten Bands über 30 dB.

Mögliche Anwendungen für kompakte Strahlgeneratoren

Eine Anwendung ist die Infrastruktur drahtloser 5G-/6G-Systeme. Millimeterwellennetze müssen Störungen unterdrücken, um möglichst viele Daten zu übertragen.

Fernerkundung und Bildgebung

Auch Fernerkundung und Bildgebung könnten profitieren. Detailliertere Daten könnten Untersuchungen von dicht bewaldeten, unter Wasser liegenden oder im Wüstensand verborgenen Orten unterstützen.

Militärische Nutzung

Mikrowellenradar könnte die Verfolgung mehrerer Ziele verbessern. Kleine, kostengünstige und vielseitige unbemannte Systeme spielen in heutigen Konflikten eine wichtige Rolle. Ihre Erfassung ist daher entscheidend. OAM-Strahlgeneratoren könnten dabei helfen und möglicherweise Menschenleben schützen.

Vorteile, die kompakte Strahlgeneratoren auf den Markt bringen

Das Verfahren ist günstiger als eine Fertigung, bei der mehrere Komponenten an verschiedenen Orten hergestellt und anschließend zur Montage transportiert werden. Der 3D-Druck reduziert solche zusätzlichen Schritte.

Integrierte Verstärkungsfilterung

Ein Hauptvorteil ist die integrierte Filterung. Durch Simulation der exakten Geometrie konnten gewünschte Signale verstärkt und Störungen im Kanal verringert werden. Das funktioniert ohne bewegliche Teile in einem einzigen Bauteil.

Niedrige Kosten

Ein einzelnes Bauteil zu drucken ist günstiger, als externe Komponenten zu beschaffen und zusammenzusetzen. Die monolithische Struktur spart Montagekosten und ermöglicht die Herstellung in geeigneten 3D-Druckanlagen vor Ort.

Präzision

Die Konstruktion gewährleistet eine präzise Ausrichtung der Komponenten. Diese mit mehreren Einzelteilen zu erreichen wäre schwierig und zeitaufwendig. Die additive Fertigung mit Metalllegierung erlaubt komplexe Geometrien, die die Übertragung ohne bewegliche Teile verbessern.

Das Forschungsteam

Zu den leitenden Forschern gehören Jianxing Li und Yuanxi Cao von der Universität Xi’an Jiaotong. Das Team will die Tests auf unterschiedliche Frequenzen und Signale ausweiten. Dabei soll die Übertragungsleistung mit regulatorischen Anforderungen in Einklang gebracht werden.

Unternehmen, die von der Studie zu 3D-gedruckten Strahlgeneratoren profitieren können

Unternehmen aus Telekommunikation, 3D-Druck und Verteidigung könnten ihre Angebote mit dieser Technik verbessern. Die folgenden zwei Firmen könnten von den Entwicklungen profitieren.

1. Materialise NV

Materialise NV (MTLS ) aus Belgien wurde 1990 gegründet. Wilfried Vancraen und Hilde Ingelaere wollten Unternehmen Software für additive Fertigung und 3D-Drucklösungen aus einer Hand anbieten. Heute ist Materialise ein wachsender Anbieter nachhaltiger 3D-Druckproduktion.

Materialise hat sich in mehrere Bereiche der additiven Fertigung entwickelt. Neben schneller Prototypenherstellung bietet das Unternehmen gedruckte Operationsschablonen und Implantate. Eine Plattform für 3D-Druckdienste an Endkunden eröffnet zusätzliche Erlösmöglichkeiten.

Während der Produktentwicklung sank die Materialise-Aktie in den vergangenen fünf Jahren kontinuierlich. Einige Analystenprognosen sehen jedoch über drei Monate einen möglichen Anstieg von 60,67 % bei einer Wahrscheinlichkeit von 90 %. Solche Erwartungen ziehen neue Investoren an.

2. Frontier Communications Parent Inc

Frontier Communications Parent Inc wurde 1935 gegründet. Der Telekommunikationsanbieter aus Texas erweiterte sein Angebot auf Daten, Internet, Video, Sprache, Hardware und Netzwerklösungen.

Die Marktkapitalisierung liegt bei 8,66 Milliarden Dollar. Die FYBR-Aktie erscheint wegen ihres möglichen Kurspotenzials und der Marktposition auf mehreren Empfehlungslisten.

Kompakte Strahlgeneratoren – Die Zukunft der Telekommunikation

Vor dem Einsatz kompakter 3D-gedruckter Strahlgeneratoren in lokalen Netzen sind weitere Tests nötig. Das technische Potenzial wurde jedoch gezeigt. Künftig könnten sie Reichweite und Leistung drahtloser Systeme verbessern. Das Forschungsteam hat einen neuen Ansatz für ein langjähriges Problem vorgestellt.

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Studienreferenz:

^{1. Li, J., Wu, S., Li, Z., Cao, Y., & Xu, K.-D. (2024). 3D-printed OAM beam generator with an enhanced out-of-band gain filtering characteristic. Optics Express, 32(26), 47285–47295. https://doi.org/10.1364/OE.542046}